鱼鳞胶原蛋白可食性膜研究进展

2021-01-25李岩胧康怀彬

食品与机械 2021年1期

李岩胧肖枫,2 康怀彬,2

(1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳 471023；2.食品加工与安全国家级实验教学示范中心，河南洛阳 471023)

鱼鳞占鱼体重量的 1%～5%，主要由两部分组成：外层骨层(缺钙羟基磷灰石)和内层纤维层(Ⅰ型胶原纤维)[1]。鱼鳞含有丰富的粗蛋白和灰分，其中蛋白质(主要为胶原蛋白和角蛋白)含量约占鱼鳞干物质的 70%[2]，胶原蛋白约占鱼鳞干物质的11.59%～38.30%[3]。与哺乳动物胶原蛋白相比，鱼鳞胶原蛋白的安全性更高，不受疯牛病、口蹄疫、禽流感等畜禽疾病的影响[4]。因此，以鱼鳞为原料制备胶原蛋白膜，可以实现对鱼类资源的综合利用，具有较高的应用价值和社会意义。

胶原蛋白一般存在于细胞外基质中，是具有三重螺旋超分子结构的蛋白质，是由3条左手螺旋的α链经氢键作用相互缠绕形成的右手螺旋体[5]。肽链上有Gly-X-Y重复序列，X和Y是脯氨酸和羟脯氨酸[6]，是胶原蛋白的特征氨基酸。

鱼鳞胶原蛋白具有良好的生物相容性和可降解性，符合可食性膜的要求，具有广阔的应用前景。近年来，众多学者开展了对鱼鳞胶原蛋白提取工艺和理化特性的研究[7-9]，对鱼鳞胶原蛋白膜的制备工艺和特性进行了较为深入的阐述[10-12]。文章拟对鱼鳞胶原蛋白膜的制备方法、性能指标、改性方式及应用等方面的研究进行综述，旨在为鱼鳞胶原蛋白的开发利用提供参考。

1 鱼鳞胶原蛋白膜的制备

常用方法有：溶剂浇铸(湿法)和压塑或挤压(干法)[13]。湿法是将所有成分溶解或分散后干燥成膜，如成膜液直接涂在食品表面形成涂层，或利用成膜液的液—液相分离或液—固相分离的作用固化成膜，或采用热诱导相分离法成膜。干法不使用溶剂，利用成膜成分的热塑性特性，使用高于材料熔点的温度加热，使其流动成型[14]，传统的干法工艺有压塑、注塑和挤出等，主要缺陷是起皱和撕裂，然而，适宜的含水量(5%～8%)和适当的基底材料可以减轻这些不利影响[13]。近年来，纳米技术为可食性膜的制备提供了新的思路，纳米可食性膜在机械性能、阻隔性能等方面的优势，使其成为最有前途和最具吸引力的研究方向之一[15]。

2 鱼鳞胶原蛋白膜的性能

范德华力、氢键和二硫键等分子间作用力，可以维持胶原蛋白分子结构稳定，影响胶原蛋白膜的性能。表征鱼鳞胶原蛋白膜性能的指标有拉伸强度(Tensile strength，TS)、断裂伸长率(Elongation at break，EAB)等机械性能指标，热变性温度(Thermal deformation temperature，Td)等热学性能指标，以及水蒸气透过性(Water vapor permeability，WVP)等耐水性指标。

2.1 机械性能

膜的物理结构和化学作用力能影响机械性能。常采用质构仪测定膜材料在受到静态或动态力时产生的压力或形变力变化，表征为各种机械指标，如TS、EAB、硬度、脆度、弹性等。TS和EAB是膜材料常用的机械性能指标。

Weng等[16]得出罗非鱼鳞胶原蛋白膜的TS与EAB分别为48.85 MPa、12.11%，与巨鲶科鱼[17](2.3 MPa、2.0%)、软骨鱼[18](25.3 MPa、14.7%)相比，罗非鱼鳞胶原蛋白膜的机械性能更高，可能与鱼种、鱼体部位、生活环境等的不同有关。此外，TS和EAB值与牛皮胶原蛋白膜[19](49.2 MPa、13.7%)相似，表明鱼鳞胶原蛋白膜能替代哺乳动物胶原蛋白膜[20]。而一些机械性能指标达到了聚酯(PET)[21]等塑料薄膜的水平，显示了其实际应用的潜力。

2.2 热学性能

常用的分析方法主要有示差扫描量热法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)和热重法(Thermogravimetric Analysis，TGA)。DSC是确定蛋白质折叠与解折叠跃迁能量的技术，DSC曲线的拐点和热吸收峰分别代表受测物质的玻璃化温度(Glass temperature，Tg)和热变性温度(Td)。TGA是在程序控温下，测定质量随温度(或时间)的变化关系，可用于蛋白质膜中溶剂残留的确定及蛋白质热稳定性的评估。

研究表明，罗非鱼鳞胶原蛋白膜的Td为116.0 ℃[16]，而罗非鱼皮胶原蛋白膜的Td约为90.0 ℃[22]，表明鱼鳞胶原蛋白热稳定性更高。与草鱼[23](64.1 ℃)、秋刀鱼[24](24.5 ℃)、巨鲶科鱼[17](37.8 ℃)、鲟鱼[25](54.3 ℃)及墨鱼[26](74.1 ℃)相比，罗非鱼鳞依旧表现出更好的热稳定性，可能与鱼的品种、鱼体部位、生活环境、胶原蛋白的亚氨基酸组成和结构有关。然而，鱼鳞胶原蛋白膜与哺乳动物胶原蛋白膜的热稳定性存在较大差距，可使用改性技术进行改善。

2.3 阻隔性能

膜对水蒸气和氧气的阻隔能力是影响膜应用的重要指标。膜的阻水性可用水蒸气透过性和水接触角(Contact angle，CA)等指标表征。中国常用杯式法[27]检测WVP，低WVP值表示高疏水性，能有效延长食品的货架期，还能影响膜内外的湿度交换[22]，改变膜的机械性能。一般使用角度测量仪测定水接触角，小的接触角(θ<90°)表示膜表面亲水，而大的接触角(θ>90°)表示膜表面疏水[28]，以上两者是评价膜阻隔性的重要性能指标[29]。

研究表明，不同胶原蛋白膜的WVP有较大的差异，如：罗非鱼鳞[16](1.8×10-8)、罗非鱼皮[30](8.9×10-13)、鲟鱼[25](3.58×10-11)、鳕鱼[31](2.2×10-12)、三文鱼[32](2.7×10-7)、牛皮[33](4.31×10-8)，可能与蛋白质的亲疏水性基团比例、氨基酸种类等因素有关，如羟脯氨酸所占比例越高，亲水性越高。Dou等[28]和Hosseini 等[15]的研究表明胶原蛋白膜表面CA<90°，加入疏水物质后，CA增大，疏水性提高。因此，加入疏水性物质可以改善胶原蛋白膜的耐水性能。

氧气是引起食品劣变的关键因素，应用于食品包装的膜一般应具有较高的氧阻隔能力，常用库仑计标准方法检测氧气透过量[34]，也有学者[35]使用过氧化值来表示氧气透过量。目前，有关胶原蛋白膜阻氧性能的研究较少，也是未来鱼鳞胶原蛋白膜需要加强研究的内容之一。

3 鱼鳞胶原蛋白膜的改性

鱼鳞胶原蛋白分子黏弹性低[22]，成膜后热稳定性差[36]，机械性能存在缺陷等限制了其应用范围，可采用分子共混、酶法交联、物理交联、化学交联等方法对胶原蛋白分子中的氨基和羧基进行修饰，使其产生分子内和分子间交联来改善性能，以此扩大应用范围。

3.1 分子共混

加入小分子或天然分子会引起膜分子间的静电引力、氢键、共价键或离子键等的变化，改变亲疏水作用，从而影响膜的性能。

3.1.1 小分子相对分子质量500 Da以下的小分子可以作为增塑剂，降低膜网络结构的内部脆性和分子之间的静电引力[18]，增加膜的流动性、柔韧性及强度[37]。甘油[38-39]、脂肪酸[40]和山梨醇[10,41]等小分子具有可食用、价格低廉、膜相容性较好的优点[40]，较为常用。研究[11]表明，巨鲶科鱼皮明胶膜经过山梨醇改性后，EAB提高了8%～10%，但阻湿性变弱，可能与山梨醇的亲水基较多有关。

3.1.2 天然分子多糖类、脂类、蛋白类等天然分子在可食性膜中应用广泛。一般情况下，多糖的醛基、羟基等极性基团可与胶原蛋白中的极性基团产生较强的氢键、共价键交联。研究[11,18]表明，鱼类胶原蛋白与壳聚糖交联后，胶原蛋白膜的TS提高，但EAB降低，是因为胶原蛋白与壳聚糖分子间吸引力升高使得胶原蛋白膜中的自由空间减少，但也有研究[42]认为是壳聚糖弱化了氢键作用，使膜结构中氢键数量降低的结果。

脂类物质极性弱、疏水性较强，可增加膜的柔韧性，改善膜的阻湿性，一般用作增塑剂；蛋白类是两性物质，存在亲水疏水作用，具有很好的成膜性[43]。研究表明，罗非鱼鳞明胶膜中加入大豆分离蛋白共混后，EAB提高了27%，Td提高约10 ℃[16]；而鱼皮明胶膜加入玉米醇溶蛋白共混后，机械性能几乎无变化，但WVP明显降低[32]。

此外，多糖类的淀粉[44]、纤维素[45]等，蛋白类的面筋蛋白[40]、酪蛋白等，植物精油、多酚、有机酸等也常用来改善膜的性能。天然分子共混对胶原蛋白膜性能影响如表1 所示，可以看出，与天然分子共混可以改善机械功能，还可以与一些功能性物质共混发挥多种功能，是非常重要的改性方式。虽然共混改性方法已被广泛应用，但是作用机制还有待进一步研究。

3.2 酶法交联

胶原蛋白分子间的共价键是由末端肽的赖氨酸或羟赖氨酸相互作用而形成。酶法交联可以在不破坏三螺旋结构并保持其特性的前提下，将末端肽切下，使三螺旋主体结构暴露出来与其他物质发生更稳定的交联。该法的优点是不会造成化学残留，缺点是交联的条件控制较困难，因此在改性研究中应用较少。

研究[16]表明，罗非鱼鳞胶原蛋白与大豆分离蛋白交联膜经转谷氨酰胺酶(质量分数2%)处理后，膜强度明显升高，热变性温度由118.4 ℃升高到123.4 ℃；当转谷氨酰胺酶用量过多(质量分数>2%)，高浓度酶使膜内亲水蛋白凝聚，无法形成致密的膜网络结构，从而降低了改性膜的强度。此外，酶还能引起蛋白结构的降解，也会影响膜的性能[26]。

3.3 化学交联

胶原蛋白分子中氨基酸侧链残基的空间取向对胶原蛋白膜的交联度和物理性质起重要作用[55]。化学交联是对胶原蛋白侧链进行修饰，形成共价交联，使结构更稳定，但化学交联存在潜在毒性危害，多数膜不可食用、不易降解，在可食性膜中应用受限。

常用的化学交联剂有碳二亚胺、环氧化合物、酰基叠氮化物和戊二醛等[17,32,55]，如戊二醛，能与胶原蛋白产生共价交联[56]，从而改善胶原蛋白膜的机械性能和稳定性[12]。草鱼鳞胶原蛋白与戊二醛交联后，膜的Td由64.1 ℃提高到68.8 ℃[23]，罗非鱼鳞胶原蛋白与乙基二甲基碳二亚胺交联后，膜的Td提高了14 ℃[57]。此外，合成多聚体的交联也属于化学交联，如聚乙烯醇[10]、聚乳酸[30]等。

表1 天然分子共混对胶原蛋白膜性能的影响Table 1 Effect of natural molecular blending on collagen film performance

3.4 物理交联

物理交联是借助声波[10]、射线[55]等物理因素进行改性，能有效避免化学物质污染，但是膜交联度通常较低，应用较少。

研究表明，超声波处理45 min后，鱼鳞胶原蛋白、山梨酸钾和聚乙烯醇共混膜的TS显著升高，WVP略有降低[10]；经60 kGy电子束辐照处理，鱼明胶、壳聚糖和槲皮素共混膜的槲皮素的初始释放时间延长了10倍[46]；磁力作用处理对罗非鱼鳞胶原蛋白与碳二亚胺共混膜的性能影响很小，但交联度显著提高。综上所述，物理交联对其他改性方法起辅助作用。

4 鱼鳞胶原蛋白膜的应用

由于胶原蛋白独特的理化特性，鱼鳞胶原蛋白可食性膜较多应用于食品、生物医药等领域。

4.1 食品领域

在食品领域，常用作食品包装材料。良好的水分、气体阻隔性能，适合的机械性能、感官特性和安全性是食品包装材料的基本要求[57]。鱼鳞胶原蛋白膜具有阻隔氧气和水分渗透的作用[14]，也可以通过改性作用改善其机械性能、感官特性等，符合食用包装材料要求，常以薄膜或涂层的形式出现。此外，在鱼鳞胶原蛋白膜中加入抗氧化剂或抗菌剂，能制成活性食品包装材料，延长产品的货架期。

于林等[58]发现白鲢鱼鳞胶原蛋白与茶多酚和壳聚糖交联膜能够有效阻碍石斑鱼中微生物的滋长，延长其货架期；甘钊生等[59]用罗非鱼鳞胶原蛋白与绿茶提取物制备复合涂膜，能有效减少圣女果的失质量率和腐烂率，延长贮藏保鲜期；单梦圆等[60]发现含有薄荷、桔子和柠檬精油的鱼鳞明胶复合膜能抑制冷藏过程中金枪鱼品质的劣变。天然的防腐物质已被广泛应用于食品的贮藏保鲜，这些物质直接加入到食品基质中可能会影响食品的感官质量，而与可食性膜复合后，可以在几乎不影响食品感官质量的情况下，将其缓释到食品表面，达到防腐保鲜目的。可食性膜还可以包埋精油、营养素、益生菌等物质，使其具有更多功能性[61]。此外，纳米技术在可食性包装材料领域的应用已经展现出较大的潜力，是可食性膜研究的新方向。

4.2 生物医药领域

在生物医药领域，因为胶原蛋白具有良好的生物相容性、高生物降解性、低免疫原性等优点，可应用于组织工程再生、药物输送和疾病治疗等[62]。

Jana等[9]发现，将头孢他啶药物，经离子相互作用与鱼鳞胶原蛋白和胺化羧甲基瓜尔胶交联制膜，有明显的抗菌效果，而且有良好的生物和血液相容性，可用于伤口愈合；Wang等[63]采用甲基化修饰和1,4-丁二醇二缩水甘油醚交联来改善鱼鳞胶原蛋白的机械性能和降解稳定性，利用小鼠模型证明了改性鱼鳞胶原蛋白能与周围组织良好结合。此外，鱼鳞胶原蛋白还可作为重金属吸附剂，沉积固化铅、镉等重金属。因此，鱼鳞胶原蛋白膜作为一种生物材料在生物医药领域具有广阔的应用前景。